城市街區自助圖書館取還書機械手結構設計

余旭+++吳昌林（等）

摘 要：城市街區自助圖書館系統是在物聯網基礎上興起的文化建設項目，是一種新型的圖書館發展模式。自助圖書館機械手作為圖書傳輸的執行部件，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是自助服務效率和安全傳輸的關鍵。本文介紹了自助圖書館圖書的傳輸方式，機械手機械系統工作原理以及機械手詳細結構。機械手運行穩定，很大程度上提高了圖書傳輸的安全性和自助服務的效率。

關鍵詞：自助圖書館；機械手；機械結構

引言

城市街區自助圖書館系統是物聯網技術在圖書館領域的拓展，是集數字化、人性化和智能化為一體的新型圖書館發展模式，是現有公眾圖書館服務的延伸，實現了傳統圖書館與數字圖書館的完美結合和質的飛躍[1]。自助圖書館系統由自助圖書館服務機、物流管理系統、中心服務系統、圖書館監控系統、資源管理系統等部分構成，其中自助圖書館服務機是自助圖書館系統的硬件基礎，也是其核心組成部分[2]。

射頻識別技術（RFID）作為自動識別技術的一大分支，是自助圖書館系統的核心技術，它通過無線射頻方式獲得圖書的相關數據，并對圖書加以識別，且無需與圖書直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠實時準確地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應用使得自助圖書館系統成為一種典型的人機交互系統，實現了自助辦證、自助借書、自助還書、自助預約、自助查詢等服務功能的融合[4]。

取書機械手系統作為自助服務的執行子系統，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是服務效率和圖書安全傳輸的關鍵因素。機械手的結構及其系統控制策略對提高服務效率和傳輸安全系數起著至關重要的作用。機械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機械手控制的三大性能指標[5]。因此，對取書機械手結構進行研究具有重要的意義和應用價值。

1 城市街區自助圖書館介紹

1.1 城市街區自助圖書館系統構架

城市街區自助圖書館由自助圖書館服務機系統、物流管理系統、中心服務系統以及圖書館監控管理系統等部分構成[6]，其核心部分為自助圖書館服務機系統。

自助圖書館服務機系統主要包括客戶服務操作終端、瀏覽書架、圖書館網絡終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等，其中客戶服務操作終端是其核心部分。在自助服務機系統上，幾乎具備了圖書館全部的子服務功能[7]，其主要內容包括自助借書、自助還書、卡證服務、預約服務和查詢服務等。

1.2 城市街區自助圖書館服務機系統

自助圖書館服務機系統主要由客戶服務操作終端、瀏覽書架、圖書館網絡終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等組成。客戶服務操作終端是自助圖書館服務機系統的核心部分，負責自助借還書功能的實現，其功能通過取書機械手的空間運動實現。

如圖1所示，自助圖書館左邊區域為操作控制區，讀者可在該區域內完成借書、還書、查詢等操作；右邊區域為圖書陳列區，圖書分層擺放在書架上。在借書過程中，機械手需要將圖書從指定書架上取出并運送到出書口。在還書過程中，機械手需要將圖書從還書口拾取并運送到指定書架上。

圖1 城市街區自助圖書館正面

2 取書機械手機械系統工作原理

自助圖書館服務機在傳統圖書館書架的基礎上添加E字形隔書板，使圖書兩兩隔開，方便U形結構機械手末端夾持裝置能夠快速準確地插入E形隔書板卡槽內抓取指定圖書。機械手末端夾持裝置是機械手的末端執行器，末端執行器在三維空間的運動使得圖書傳送功能得以實現。

圖2所示為機械手的三維空間運動，其中 XZ平面為自助圖書館上導軌平面；X軸表示書架的長度方向；Y軸表示書架寬度方向；Z軸表示書架高度方向；W軸為機械手末端執行器的夾持運動方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運動提供圖書夾緊力。機械手具有4個移動關節，X軸、Y軸和Z軸方向的移動實現末端執行器的空間定位；W軸方向的運動提供圖書夾緊力，是圖書安全輸送的關鍵。

3 機械手結構

在取送書過程中，機械手需要能夾緊松開圖書，并且適應不同厚度的圖書。具體到設計上，機械手要驅動左右兩個手爪移動以夾緊或松開圖書，并能夠識別或者自適應書本的厚度。

本次設計采用恒壓力夾緊控制方式以自適應書本厚度。在手爪夾緊圖書的過程中實時監測手爪的夾緊力，當夾緊力達到預設定值，手爪即停止運動。最大夾緊力的設定以能夠牢固夾持自助圖書館中最重的圖書為依據。設計采用閉環控制，具有較快相應速度。該結構能牢固夾持圖書，不僅能有效防止由于夾緊壓力值過小造成的的書本脫落，也能防止由于夾緊壓力值過大造成的書本損壞。

3.1 機械手爪設計

機械手在定位到要抓取的圖書位置之后，在抓取圖書過程中要保證能牢固抓取指定圖書，同時不影響左右兩側的圖書，為此設計E字形隔書板與不對稱U字形機械手爪結構，如圖3圖4所示。一個機械手有左右兩個手爪，夾持部分是對稱的。隔書板與機械手爪形狀上互補，機械手爪在抓取圖書過程中，先插入隔書板中，然后兩手爪相向運動，抓緊圖書。隔書板的厚度為6mm，大于手爪的5mm，因此在機械手定位準確的前提下，手爪能插入相鄰兩圖書的空隙，并且不損壞左右兩邊的書。機械手爪前端窄后端寬，類似刀刃，在機械手爪插入隔書板的過程中允許的定位誤差更大，這種設計提高了機械手定位的容錯度。

圖3 隔書板結構 圖4 機械手爪結構

如圖4所示，機械手爪上面長，下面短，上面有兩個橡皮觸點，下面有一個，這是基于三點確定一個平面的原理而設計的。左右機械手爪各三個橡皮觸點，橡皮與絕大部分圖書的封面之間的摩擦系數較大，能在較小夾緊力下牢固夾緊圖書。相比之下，機械手爪上下對稱但無橡皮觸點的結構由于金屬與封面的摩擦系數較小，導致手爪平面與書籍封面不能很好貼合，運行效果很不理想。

3.2 機械手壓力檢測機構

機械手采用單個應變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能準確檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結構將傳感器與手爪聯系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個轉軸，手爪能繞軸轉動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時，手爪底部也給傳感器一個作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結構。通過該機構可以實現傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結構

3.3 機械手驅動結構

機械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個手爪需要同步相向運動，該運動可以通過凸輪機構實現。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導軌上只能做直線運動，因此圓柱銷也只能做直線運動。為了保證凸輪轉動和圓柱銷的直線運動成線性關系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當凸輪勻速轉動時，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運動，凸輪每轉動1°，圓柱銷運動0.1mm。在圖7中，凸輪順時針轉動，兩圓柱銷距離增大，機械手張開。凸輪逆時針轉動，兩圓柱銷距離減小，機械手夾緊。

（a）夾板完全合攏 （b）夾板張開 （c）夾板完全張開

圖7 凸輪傳動機構

3.4 機械手總體結構

機械手總體裝配圖如圖9所示，驅動電機為步進電機，電機經減速器后帶動凸輪轉動，從而實現機械手的張開和閉合。22為塑料導軌，以提高耐磨性。

4 結束語

本文根據自助圖書館圖書地擺放方式，分析了機器手取書流程，設計了隔書板和取書手爪結構，確定了機械取書的基本模式。根據取書的特點，設計了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結構，進一步詳細設計了機械手驅動結構及機械手總體結構。本文所設計的機械手結構在產品中得到了良好運用，產品運行穩定，自助服務效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。

參考文獻

[1]Huang Y H， Li G Y. Descriptive models for internet of things[A].International Conference on Intelligent Control and Information Processing，Harbin， China： IEEE Press， 2010.483-486.

[2]陳淑珍.基于Web2.0的高校圖書館在線信息素質教育研究[J].圖書與情報，2011（3）：104-106.

[3]Welbourne E， et al. Building the internet of things using RFID： The RFID ecosystem experience[J]. IEEE Internet Computing， 2009， 13（3） ： 48-55.

[4]彭奇志，嚴而清，吳信嵐.我國高校在線信息素質教育的分析研究[J].圖書與情報，2009（1）：125-127.

[5]熊有倫，尹周平，熊蔡華，等.機器人操作[M].湖北：湖北科學出版社，2002

[6]Murray R M， Li Zexiang， Sastry SS .機器人操作的數學導論[M].徐衛良，錢瑞明，譯.北京：機械工業出版社，1998.

[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者簡介：余旭（1989-），男，湖北武漢人，華中科技大學碩士研究生，研究方向為機電一體化產品設計。

吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學教授，博士研究生導師，主要研究方向為機電一體化設備及曲面數控拋光技術。

王玉金（1986-），男，四川宜賓人，華中科技大學博士研究生，主要研究方向足式機器人、機械系統動力學。

周占明（1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學碩士研究生，主要研究方向為機電一體化產品設計。

機械手采用單個應變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能準確檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結構將傳感器與手爪聯系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個轉軸，手爪能繞軸轉動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時，手爪底部也給傳感器一個作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結構。通過該機構可以實現傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結構

3.3 機械手驅動結構

機械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個手爪需要同步相向運動，該運動可以通過凸輪機構實現。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導軌上只能做直線運動，因此圓柱銷也只能做直線運動。為了保證凸輪轉動和圓柱銷的直線運動成線性關系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當凸輪勻速轉動時，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運動，凸輪每轉動1°，圓柱銷運動0.1mm。在圖7中，凸輪順時針轉動，兩圓柱銷距離增大，機械手張開。凸輪逆時針轉動，兩圓柱銷距離減小，機械手夾緊。

（a）夾板完全合攏 （b）夾板張開 （c）夾板完全張開

圖7 凸輪傳動機構

3.4 機械手總體結構

機械手總體裝配圖如圖9所示，驅動電機為步進電機，電機經減速器后帶動凸輪轉動，從而實現機械手的張開和閉合。22為塑料導軌，以提高耐磨性。

4 結束語

本文根據自助圖書館圖書地擺放方式，分析了機器手取書流程，設計了隔書板和取書手爪結構，確定了機械取書的基本模式。根據取書的特點，設計了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結構，進一步詳細設計了機械手驅動結構及機械手總體結構。本文所設計的機械手結構在產品中得到了良好運用，產品運行穩定，自助服務效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。

參考文獻

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[4]彭奇志，嚴而清，吳信嵐.我國高校在線信息素質教育的分析研究[J].圖書與情報，2009（1）：125-127.

[5]熊有倫，尹周平，熊蔡華，等.機器人操作[M].湖北：湖北科學出版社，2002

[6]Murray R M， Li Zexiang， Sastry SS .機器人操作的數學導論[M].徐衛良，錢瑞明，譯.北京：機械工業出版社，1998.

[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者簡介：余旭（1989-），男，湖北武漢人，華中科技大學碩士研究生，研究方向為機電一體化產品設計。

吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學教授，博士研究生導師，主要研究方向為機電一體化設備及曲面數控拋光技術。

王玉金（1986-），男，四川宜賓人，華中科技大學博士研究生，主要研究方向足式機器人、機械系統動力學。

周占明（1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學碩士研究生，主要研究方向為機電一體化產品設計。

機械手采用單個應變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能準確檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結構將傳感器與手爪聯系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個轉軸，手爪能繞軸轉動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時，手爪底部也給傳感器一個作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結構。通過該機構可以實現傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結構

3.3 機械手驅動結構

機械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個手爪需要同步相向運動，該運動可以通過凸輪機構實現。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導軌上只能做直線運動，因此圓柱銷也只能做直線運動。為了保證凸輪轉動和圓柱銷的直線運動成線性關系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當凸輪勻速轉動時，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運動，凸輪每轉動1°，圓柱銷運動0.1mm。在圖7中，凸輪順時針轉動，兩圓柱銷距離增大，機械手張開。凸輪逆時針轉動，兩圓柱銷距離減小，機械手夾緊。

（a）夾板完全合攏 （b）夾板張開 （c）夾板完全張開

圖7 凸輪傳動機構

3.4 機械手總體結構

機械手總體裝配圖如圖9所示，驅動電機為步進電機，電機經減速器后帶動凸輪轉動，從而實現機械手的張開和閉合。22為塑料導軌，以提高耐磨性。

4 結束語

本文根據自助圖書館圖書地擺放方式，分析了機器手取書流程，設計了隔書板和取書手爪結構，確定了機械取書的基本模式。根據取書的特點，設計了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結構，進一步詳細設計了機械手驅動結構及機械手總體結構。本文所設計的機械手結構在產品中得到了良好運用，產品運行穩定，自助服務效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。

參考文獻

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[5]熊有倫，尹周平，熊蔡華，等.機器人操作[M].湖北：湖北科學出版社，2002

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[7]Fouad F， Khalil， Pierre Payeur. Robotic interaction with deformable objects under vision and tactile guidance-a review[J]. ROSE2007-IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments， 2007， 1-6.

作者簡介：余旭（1989-），男，湖北武漢人，華中科技大學碩士研究生，研究方向為機電一體化產品設計。

吳昌林（1951-），男，湖北武漢人，華中科技大學教授，博士研究生導師，主要研究方向為機電一體化設備及曲面數控拋光技術。

王玉金（1986-），男，四川宜賓人，華中科技大學博士研究生，主要研究方向足式機器人、機械系統動力學。

周占明（1989-），男，河南駐馬店人，華中科技大學碩士研究生，主要研究方向為機電一體化產品設計。